Étude et caractérisation des décharges partielles et du vieillissement du polyimide en environnement aéronautique

Study of the impact of the aeronautical environment on the Paschen curve and the aging of polyimide under partial discharge

• Auteur / Autrice : Elyse Sili
• Direction : Jean-Pascal Cambronne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyimides

Décharges électriques

Mots clés libres

Décharge partielle

Energie dissipée

Libre parcours moyen

Polyimide

Vieillissement électrique

Durée de vie

Résumé

Les inquiétudes, entretenues d'une part par l'augmentation exponentielle de la consommation des énergies fossiles et d'autre part par le souci de préserver l'environnement, ont motivé les acteurs impliqués dans le domaine du transport à mettre en place des solutions alternatives. Une des solutions possibles est le développement des véhicules plus électriques, voire hybrides. Or le passage vers une nouvelle génération d'avion plus électrique exige l'augmentation de la puissance électrique embarquée qui peut être atteinte tout en préservant la masse embarquée à travers l'augmentation du niveau de tension. Cette augmentation de tension combinée aux contraintes imposées par l'environnement avionique : baisse de pression liée à l'altitude, cycles de température et variation du taux d'humidité, entrainent l'apparition de nouveaux phénomènes qui sont défavorables aux Systèmes d'Isolation Electrique (SIE) tels que les décharges partielles (DP). L'apparition de ces décharges dépend des conditions de fonctionnement et peut conduire à un vieillissement prématuré des matériaux isolants et donc du matériel électrique des systèmes embarqués. C'est dans ce cadre que s'inscrit le travail présenté dans ce manuscrit, dont l'objectif est d'évaluer l'impact des contraintes imposées en environnement aéronautique sur les caractéristiques des décharges et sur le vieillissement des isolants sous décharge. Dans un premier temps, des mesures de caractéristiques de décharges telles que leur seuil d'apparition et l'énergie dissipée en contraintes combinées (P, T, Hr), ont montré la présence de deux mécanismes de claquage qui régissent le développement de la décharge à gauche du minimum de Paschen suivant la valeur de la température appliquée. De plus, une étude menée sur la validité des expressions correctives introduites à la loi de Paschen a démontré leur validité sous pression atmosphérique. Pour des combinaisons de températures et de pressions, une nouvelle formule empirique pour le calcul de la tension de claquage a été proposée et validée pour des températures supérieures à 35°C. Ensuite une étude sur l'impact de l'environnement aéronautique ainsi que d'autres paramètres sur les caractéristiques de la décharge a été abordée. Il a été démontré que ses caractéristiques varient en fonction du paramètre appliquée (T, P, Hr, d, U), et cette variation a été expliquée en se référant au libre parcours moyen des électrons. Enfin, une étude sur l'influence de l'environnement aéronautique sur le comportement de l'énergie dissipée par les décharges et sur le vieillissement du polyimide a été menée, afin de trouver une relation entre ces deux grandeurs. D'après les résultats obtenus, il a paru difficile d'établir une relation directe entre ces deux grandeurs, et valable quelles que soient les conditions appliquées à cause, en particulier, de la variation des propriétés de la surface vieillie en fonction des conditions atmosphériques. Une relation plus pertinente entre la durée de vie et une autre caractéristique de la décharge a été proposée en considérant l'intensité des décharges. Il a été démontré que quelles que soient les conditions appliquées, la durée de vie et l'intensité des décharges sont inversement proportionnelles.

The anxiety maintained on one hand by the exceptional increase in the consumption of fossil fuels and on the other hand by the concern for environmental protection has motivated the scientists who work in the transportation domain to find alternative solutions. So the aircraft industry is increasingly shifting towards more electrical technologies. Hence electrical systems with higher powers are required. However, the increase in electrical power demand to supply these alternative electrical systems requires higher voltages. Or increasing the supply voltage combined with the constraints imposed by the avionics environment (pressure drop due to the altitude, temperature cycles and variation of moisture) would introduce others, namely an increased probability of electrical discharge. Unwanted partial discharge (PD) in electrical systems can lead to the deterioration of solid insulation and consequently failure of whole components. The need therefore exists to understand the effect of environmental parameters on the PD characteristics and on the insulation lifetime which is the aim of this work. In the first part, we have been investigating the effect of low pressure combined with high temperature on the partial discharge characteristics as the ignition voltage and the dissipated energy. Results show two different behaviours related to temperature at the left of the Paschen minimum. In an attempt to explain these results, it appears that this effect is related to the presence of two different breakdown phenomena. Then the domain of validity of two corrective expressions on the Paschen's law found in the literature, in case of changing the air environment was investigated. Results show that these corrections are valid under atmospheric pressure. However, for combined variation of temperature and pressure a new empirical expression has been added and validated for temperatures higher than 35°C. In a second part, the aeronautic environment effects on the partial discharge properties were investigated. The obtained noticeable changes in the PD characteristics with temperature, pressure and humidity variations were presented and mainly explained on the basis of electron mean free path. Finally, after having investigated the effect of temperature, pressure, and moisture on discharge characteristics, we focused on the effect of these environmental parameters on the behaviour of the energy dissipated by the discharges and on polyimide film endurance during aging under partial discharge. The energy measurements were carried out in real time during aging tests and the relationship between the energies involved and the polyimide lifetime was investigated for different environmental conditions. Accordingly to these results, it seems difficult to establish a direct relationship between the energy dissipated and the material lifetime, even if it still valid in various conditions. This is mainly due to the interaction between the discharge by-products and the environment that affects the film endurance. A more effective relationship between lifetime and the discharge intensity has been found. It has been shown that the lifetime and the discharge intensity are inversely proportional regardless of the applied conditions.